DE1467202A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Kaeltehaushaltes beim Herstellen von NH3-Synthesegas - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Kaeltehaushaltes beim Herstellen von NH3-SynthesegasInfo
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Description
(H 225) H 64/018
Se/ bd 23.8.1968
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Kältehaushaltes beim Herstellen von NH,-Synthesegas
Zusatz zu Patentanmeldung P 12 72 280.4-41 (0 37 327)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung des Kältehaushaltes bei einem Verfahren zum Herstellen
von NH,-Synthesegas durch regeneratives Zerlegen von wasserstoff-
und methanhaltlgen Gasgemischen unter Druck, wobei daa Gasgemisch in mindestens einem von mindestens drei zyklisch
weohselbaren Regeneratoren zur Abscheidung kondensierbarer
Bestandteile so tief gekühlt wird, daß die Hauptmenge des
Methans kondensiert und eine Rohwasserstofffraktion verbleibt,
die praktisch den gesamten Wasserstoff des Rohgases, jedoch nur kleine Mengen von Methan enthält, wonach die abgeschiedenen
909811/1073
Kondensate wiederverdampft werden und die Rohwasserstoff-.
fraktion nach entsprechender Anwärmung zwecks Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt und anschließend in einem vorher
von Kondensaten in der Hauptsache befreiten Regenerator auf Raumtemperatur erwärmt wird, und wobei der Rohwasserstoff
einer Nachreinigung durch Waschen mit flüssigem Stickstoff unterworfen wird, die Anwärmung vor der Entspannung des Roh-Wasserstoffs
durch wärmetausoh mit Druokstickstoff erfolgt und damit der Stiokstoffwäsche die erforderliche Kälte zugeführt
wird, und die Wiederverdampfung der im Regenerator abgeschiedenen Kondensatfraktion durch (herleiten von gasförmigem
Kohlenoxyd-Stickstoff-Gemisch vervollständigt wird, welches dem Sumpf der Stickstoffwaschsäule entnommen wird,
nach Patentanmeldung P 12 72 280.4-41 (0 y? 327)·
909811/1073
Bei de« in dieser Anmeldung beschriebenen ▼erfahren
wird der vo« kalten Ende des ersten Regenerators abstreitende Rohwasserstoff nach entsprechender Anwäraung zwecke Kälteerzeugung
arbcltaleistend entspannt. Wird nun die durch-gesetzte
Menge an wasserstoffhaltige« Gasgemisch reduziert, so
sinkt üie Kälteleistung der Entapannungsturbine, uad zwar
erstens, weil die Wasserstoffaenge kleiner 1st und zweitens,
well der Wirkungsgrad der Expansionsturbine geringer wird, wenn sie sahwach beaufschlagt ist. Der Kältebedarf der Aalage
jedoch geht nicht im gleichen Haie «urüok wie die Kälteleistung
der Entspannung»turbine. Hur der Anteil der Austausoh-Verluste
ist proportional der durchgesetzten Gaaaenge, wogegen
der Anteil konstant bleibt, der de« Zuetroa von Wärae aus
der Uagebung begegnet. Der Kältebedarf kann also bei eraeblioher
MengenreduktloB aus der Expansionsturbine nicht gedeckt
werden, wenn von einer Ycrgrueseruag des Druekgefalles la der
Turbine abgesehen wird.
Es 1st bekannt, la eine« solchen Fall verringerter Beaufschlagung den Wirkungsgrad einer Sntepanaungsturbiae
durch Abschalten von Düsen de« Wirkungsgrad bei Vollast anzunähern. Dieses Verfahren erlaubt nur eine grobatufige Regelung
und versag nur einen Teil uer fehlenden Kälte zu beschaffen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei verringerte« Oasdurohsats ale Kälteerzeugung durch eine
Entspannungsturbine de« Kältebedarf der Gaszerlegung uad der
90 9811/107 3 · */#
Stickstoffwäsche besser Anzupassen als ee allein alt der Abschaltung
von Düsen aöglich ist und die Kälte ausserdea bei geringstem
Energieverbrauch zu erzeugen.
Se ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
uen Kältebedarf auch weiterer anderer Oaszerlegungsanlagen,z.B.
einer Vorzerlegungsanlage, bei tiefer Temperatur zu
decken.
Diese Aufgaben werden erfindungageaäl dadurch gelöst
daß ein Teil dea verdichteten Rohwasserstoffs de« verdichteten waeeerstoffhaltigen Gasgemisch vor dessen Zerlegung la Regenerator
sugeaischt wird, und über die Expasioneturbine und den Ron-Wasser
toff verdichter la Kreis läuft.
Bein Verfahren geaäfl der vorliegenden Erfindung
aacht der den wasεerstoffhaltIgen Gasgemisch zugefügte Wasseret
off über 8 chuB einen kälteerzeugenden Kreislaufι Abkühlung zusammen
Bit Rohgas im ersten Regenerator, Wärmeaustausch mit Stickstoff, Wiedererwäneung la Regenerator und Verdichtung la
Rohwa*ierstoffverdichter. Der Kreialauf wird dann angewendet,
ι
wenn die Menge des Ausgangsgasee unter die MorasJLaenge sinkt·
Die Menge des Kreielaufwasserstoffä kann soweit gesteigert werden
wie Verdichter, Masehlnen, Regeneratoren und Anwlnaaltter
das erlauben. Die obere Orenze ist durch dl· Maaohinen gegebe«!
bei Vollast der Expansionsturbine» des Rohwaaseretoffverdiohtera
und sehlietlioh auch des Stiekstoffverdleliters« In der Expansionsturbine
und la* Rohwaeserstoffverdichter sind dl· »is
zur Vollast atigliohen Furderaengen nicht von der Menge des Produktwasserstoffs
abhängig. Dagegen hängt die zu fordernde Stlok~
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stoffmenge ziemlieh eng ait der produzierten Wasserstoff menge
zusammen, da Ja Ammoniaksyntheeegas (.JH2 + 1N2) hergestellt
werden soll. Die benötigte Menge Waschstickstoff sinkt nicht so rasch wie die produzierte Wasserstoffmenge abnimmt, da ein Teil
des Waschetickstoffa Ja dazu bestimmt ist, durch Verdampfen den
Zustrom von Wärme zur Waschsäule zu kompensieren. Mit diesem Teil des Druckstiokstoffs kann zwar zusätzlicher Wasserstoff,
also Kreislaufwasserstoff, in den dafür vorgesehenen Austausohern
angewärmt werden· Trotzdem bleibt aber die Bindung der geförderten Stickstoffmenge an die Menge des Produktwasserstoffs
ziemlieh eng·
Soll der Wasserstoffkältekreislauf darüber hinaus noch verstärkt werden, so wird erfindungsgemäfi ein von der
Synthesegasmenge unabhängiger Kreislauf von Anwärmstickstoff etabliert.
Dieser Anwärmstickstoff wird einem vor der Stickstoffwaschsäule
befindlichen Abscheider für den flüssigen Wasohstiokstoff
gasförmig entspannt entnommen, tauschtWärme mit vom Stlekstoffkompreseor herkommenden Stickstoff, wird wieder zum
Stlekstoffkompressor geführt und läuft dann über mehrere Wärmeaustauseher*
in deren einem Wasserstoff erwärmt wird, im Kreis surflok sum Abscheider.
Mit dem Wasserstoffkreislauf und dem Stiokstoffkreielauf
zusammen kann unabhängig von der Synthesegasproduktlon
Jede Kälteleistung bis hinauf zu der bei Yollaet der Anlage erforderliehen erzeugt werden, una Jeder beliebigen Teillast
909811/1073 φ/·
kann J#d· gewünscht« Kälteleistung zugeordnet werden· Ton grosses
Vorteil 1st« dafl der Wasserstoffkaitekreislauf nur vorhandene
Einrichtungen und Maschinen brauoht und bein Stickstoffkreislauf
de« vorhandenen Terdiehter, den Wäraeauetausohern und
des Wasserstoffanwäraer nur eine Rückführung für den anteiligen Krelalaufstiekstoff zugeordnet werden nuß*
In der Hauptanaeldung ist ein Verfahren beschrieben, bei des aus der Kälteleistung der Vi ae β er stoff expansion der KKl-
* tebedarf einer Regeneratorengruppe zum Abtrennen von Rohwasserstoff
aus' wasserstoffhaltigen Gasgemischen und der Kältebedarf
für eine Anlage zum Waschen dee Bohwasserstoffs alt flüssige*
Stickstoff gedeckt wird.
Xlnea weiteren Erfindungsgedanken zufolge wird der erfindungegeaääe Wasserstoffkältckreislauf dazu verwendet« den
KKltebedarf auch weiterer anderer Oaszerlegungsanlagen, z.B.
einer Torserlegungaanlag·, bei tiefer Temperatur zu decken.
ι 4er (gedachten weiteren) Anlage zu decken ist, das gleiche ist»
wie la den beiden bereits alt Kälte versorgten Anlagen, dann
wird diese Aufgabe nach den Prinzipien der Erzeugung von Zu-•AtslcKl
te bei Teillast gelöst ι der normalen Kälteerzeugung durch Expansion produzierten Itohwaeserstoffs wird die Brseugiaag
susätsllehcr Kälte Mittels zusätzlich la Kreislauf geführt*·
Kohvasseretoffs aberlagert. Gegebenenfalls sind als«
iratoren und Maschinen Ober die Anforderungen des VoIIa**-
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hinaus entsprechend gu vergrSssern. Wenn das Teaperaturalveau«
bei dea d«r Kältebedarf der (gedachten weiteren)
AnIag* su decken ist, höher 1st als bei den beiden erwähnten
und bereite «it Kälte versorgten Anlagen· dann wird «rfindungsgeaäf
die Entspannung des Wasserstoffs in Stufen vorgonnaaen und swisohen den stufen die Jeweils erzielte Kälteleistung an
den verbrauchenden Anlageteil abgeführt.
Einen auftretenden Kältebedarf bei näherer Teapera~ tür su decken« «rfordert eine entsprechend höhere Temperatur
des Wasserstoffs aa Ende seiner Expansion und ausserde· eine
hebere Tesq^eraturlage der AnwMraung des Wasserstoffs. Letsteres
wlederuei verlangt eine entsprechend grosae Wlreekapasitit des
anwlraenden Hedluas, «eist des Anwärastlekstoffs. Diesen Erferdernlssen
wird dadurch Rechnung getragen« da· die TesiperaturlAge
der Wärmeabgabe von Stickstoff an den Wasserstoff durch ErMfeuog
des Druckes des Mediums, *.B. des Stickstoffdruckes, und dl·
Wämeka»asität des winseliefernden Nedlus» durch eine ErWSlwag
der Menge des MedluMs gesteigert werden. I
Dl· Methoden· alt denen die erzeugte Kälte auf
den der Kälte bedurfenden Teilnehawr übertragen wird» sind
■annigfaltig» Aa einfachsten 1st es« den durch dl· Expansion
abgektthlten llohwasserstoff su dea alt Kälte su versorgeoAen
Anlageteil su führen and dort alt einea Gas in Wänsetauseh su
bringen« das abgekühlt wird und daait den Kältebedarf dieses Anlage/teils deckt· Der expandierte Wasserstoff kehrt dann etwas
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erwKrat zur Expansioneturbine zurück, wird auf tieferen Druok
entspannt und deckt damit den Klltebedarf anderer Anlageteile
bei tiefer Teeperatur.
Eine andere Methode der Kälteübertragung be·tent
darin« ait kalte« Wasserstoff ein Hilfsgas, ζ·Β· Stickstoff,
unter geeignetes Druok zu verflüssigen» die gebildete Flüssig*
keit in den der KUte bedürfenden Anlageteil xu verdampfen« die
Stickstoffdämpfe nach Wiedererwtraen zu verdichten« erneut
* zu kühlen, la Austausch mit Wasserstoff zu verflüssigen und damit
den Hilfagaskreislauf zu -schliessen, Der dabei erwärmte
expandierte Wasserstoff geht dann zur zweiten Stufe seiner Entspannung in der Expansionsmaschine.
Die Erfindung sei anhand des in der Zeichnung sehe*
aatlseh dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Drei zyklisch wechselbare Regeneratoren 1*2 und 3
dienen als Kältespeicher und Wärmeaustauscher* über Leitung 5
wird de« Regenerator 1 60 % Wasserstoff enthaltendes Kokeofen-
> gas« das im Koapressor 4 auf einen Druok von 10 kg/ea verdichtet
wurde« zugeführt und in eine Rohwaaeerstofffraktion alt
90 % Wasserstoff und in eine Kondensat fraktion» dl« sieh auf der
Speieheraasse niederschlagt, zerlegt· Der Rohwasserstoff entweicht
duroh Leitung 6 und wird in zwei Teilströme aufgeteilt·
Der eine Teilstre« (etwa 98 % der Rohwasserstoffaeage) wird la
Wärmeaustauscher 7 gegen Druckstickstoff und der andere Teilst
rom (etwa 2 % der Rohwasserstoffaenge) in der Rohrschlange 8
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leicht aagewlrnt. Beide Teilströme werden aodann vereinigt,
in der Turbine 9 auf einen Druck von etwa 2 kg/cn arbeitslefetend
entspannt und la Regenerator 2 auf Ruuatenperatur erwirat.
Die durch die Entspannung des Rohwasserstoffs erzeugte Kälteleistung dient dabei dazu, den Regenerator 2 wieder auf
die Temperatur der ersten Schaltphase (in der Zeichnung durch den Regenerator 1 dargestellt) abzukühlen· Dabei nimmt der Rohwaseerstoff
noch Reste von unverdaapfte« CH^, CO2 und H2O «it.
Während der beschriebenen Sohaltperiode findet in Regenerator 2 eine Periode der Wiederverdampfung statt, Bestandteile»
die bei höheren Druck kondensiert wurden« wie CH^, neben
einen Rest von Wasserstoff» strömen nit Oberdruck ab und verdunsten
dabei Äthylen» Xthan» Kohlendioxyd» Wasser usw.. Zum Schi us" senkt das Oe blase 26 den Druck in Regenerator auf 0,5
kg/cm . Die Verdampfung» besondere des Methane an kalten Ende» wird erheblich dadurch gefördert, dal ein den Sumpf der WaschsKu-Ie
14 entstammendes CO-M2-Oemisch, das im Wärmeaustauscher 12
verdampft wurde» vom kalten Bnde des Regenerators 2 her in diesen
entspannt wird·
Am Bnde der in der Figur dargestellten Schaltperiode
1st der Regenerator 1 mit Kondensaten beladen und mit wasseratoC-relohem
Koksgas von 10 ata gefüllt· Vor der Wiederverdampfung der Kondensate wird der Regenerator 1 durch Offnen der Ventile
25a und 25c bsw. 25a und 25b nacheinander bis zum Druckausgleich
in die beiden anderen Regeneratoren entleert. Das alsdann nooh im Regenerator 1 verbleibende Oas von 3 ata strömt Über das warms
Bade des Regenerators zurück zur Saugleitung des Kokaofengasver-' diohterb 4, solange es wasserstoffreich 1st. Ein anderer Teil fxv
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2 bis 2,5 % des verarbeiteten Koksofengases) geht, sobald das
Oaa wasserstoff are geworden ist» zusammen mit de· wiederverdampften
Methan in das sogenannte "Reichgas".
Der den Regenerator 3 verlassende erwärmte Roh»
wasserstoff wird la Kompressor 10 auf den Druck der Stickstoffwlsohe
verdichtet und in den Wärmeaustauschern 11 und 12 unter
den Taupunkt des Methans abgekühlt, das sich im Abscheider 13
flüssig angammelt. Der Rohwasserstoff tritt dann in die Stieketoffwaschalule
14 ein, wo er mit flüssigem Stickstoff gewaschen wird. ,Das sich am Fuß der Stiokstoffwasohsäule 14 ansammelnde
flüssige Qemlsch, das vorwiegend aus Stickstoff und Kohlenoxyd besteht, wird entspannt und im wärmeaustauscher 12
erwlrmt. Sin Teil aavon dient im Regenerator 2 zur Wiederverdampfung
der in der vorhergehenden Schaltphase in diesem Regenerator abgeschiedenen Kondensate, während ein anderer Teil
mit der aus dem Abscheider 13 stammenden, entspannten und im
Wärmeaustauscher 15 erwärmten Nethanfraktion vereinigt wird,
im Wärmeaustauscher 16 entgegenkommenden Druokstiokstoff kühlt
und nach Vereinigung mit dem anderen Teilstrom bei 17 als Reiohgas
entnommen werden kann.
Bei einer Verringerung der durch Leitung 5 in den
!•generator 1 geführten Menge wassers toff,haltigen Oases kann
▼on dem im Kompressor 10 verdichteten Rohwasserstoff ein Teil
über Ventil 18 und Leitung 19 abgezweigt und dem Eingangsgas in Leitung 5 sugemisoht werden. Durch diese Meinahme der Zumisohung
von Rohwasserstoff zum Bingangsgas wird ein Absinken der
909811/107 3 ./.
▼erhindert· Der beigefügte Rohwasserstoff be-
schreibt einen Kreislauf» der durch den Regenerator 1, die
Leitung 6, den Wärmeaustauscher 7, die Rohrschlange 8, dl· Explosionsturbine 9 und den Regenerator 3 führt und bei« Konpressor
1o wieder geschlossen wird.
Der fur die Stick« toffvraeohsKule i4 benötigt« Stickstoff
wird la KoMpreesor 2o auf den Druck der Stlokstoffwäsehc
▼erdichtet, in den Wärmeaustauschern 21, 16, 7« 12 und 15 abkühlt
und durch den Oegenstrumer 22 sua Abscheider 23 geleitet,
▼on wo aus der flüssige Teil des Stickstoffs in die waaonslule
14 als Haschstickstoff gegeben wird. Der aus dea Abseheider 23
entweichende gasförmige Stickstoff wird entspannt. Ober den
Wlraeauetauscher 82, wo entgegenkuaasmior V&schstidcstoff gekühlt
wird« und dl· Vlnatauatauscher 16 und 21 sua ioeqpresser
20 xurtlckgeführt.
Dar durch den Koapressor 20, die ^araeauatauscher
21« 16, 7« 12, 15 und 22 und den Abscheider 23 geführte areislaufstickstoff
ermöglicht die Aawlraung auch einer greSeren
durch den Varaeaustausoher 7 fliesenden Rohwassersfffaenge,
s.B. wann die Kälteleistung der Expansionsturbine 9 sur Deckung
des Kältebedarfs einer Vorserlegungssnl agc erhöht werden aiii·
Aa Kopf der Vasohetule 14 sieht Über Leitung 27 «In
reines H2-I3-Oealsoh ab, das la Vlraeauetauacher 11 Roawasseretoff
und la Vlraeaustauseher 16 Druokstlckstoff kühlt und bei
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24, n&oh Zumischen von Reinsticlcstoff, als A—on1 Bk-Syn these«
gas (5 H2 ♦ 1 M2) entnomen werden Jcann.
10 Fatentaaepruohe
1 Zeichnung
1 Zeichnung
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Claims (1)
- LINOEAKTIENGESELLSCHAFT(H 22.3) ^3 H 64/018Se/bd 23.8.1968Patentansprüche1. / Verfahren zum Herstellen von ΝΗ,-Synthesegas durch rege-^ neratives Zerlegen von wasserstoff- und methanhaltigen Gasgemischen unter Druck, wobei das Gasgemisch in mindestens einem von mindestens drei zyklisch wechselbaren Regeneratoren zur Abscheidung kondensierbarer Bestandteile so tief gekühlt wird, daß die Hauptmenge des Methans kondensiert und eine Rohwasserstofffraktion verbleibt, die praktisch den gesamten Wasserstoff des Rohgases, Jedoch nur kleine Mengen von Methan enthält, wonach die abgeschiedenen Kondensate wiederverdampft werden und die Rohwasserstofffraktion nach entsprechender Anwärmung zwecks Kälteerzeugung arbeitsleistend entspannt und anschließend in einem vorher von Kondensaten in der Hauptsache befreiten Regenerator auf Raumtemperatur erwärmt wird, und wobei der Rohwasserstoff einer Nachreinigung durch Waschen mit flüssigem Stickstoff unterworfen wird, die Anwärmung vor der Entspannung des Rohwasserstoffs durch Wärmetausch mit Drucksticketoff erfolgt und damit der Slockstoffwäsche die erforderliche Kälte zugeführt wird, und die Wiederverdampfung der im Regenerator abgeschiedenen Kondensat-909811/1073MtUA Unterlagen (Art 7 11 Abe. 2 Nr. \ Satt 3 des AnderungsflöS. v. 4.9.19G /LINDE AKTIENGESELLSCHAFTfraktion durch Überleiten von gasförmigem Kohlenoxyd-Stickstoff -G jmisch vervollständigt wird, welches dem Sumpf der Stickstoffwaschsäulf"iö»feic3ßraie1äi niml£$näeh. Patentanmeldung P 12 72 280.4-41 (G J7 .327), dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des verdichteten RöhWasserstoffs dem verdichteten wasserstoffhaltigen Gasgemisch vor dessen Zerlegung im Regenerator zugemiScht wird und über die Expanslonstiirbine und den Rohwasserstoff verdicht er im Kreis läuft.2. Verfahren'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des Kreislaufwasserstoffs dem Kältebedarf der Anlage angepaßt wird.ι. :i«V r >909811/107 32· Verfahren nach Anepruoh 1, dadurch gekennzeichnet, dal dl· Kälteerzeugung in der Expansionsturbine duroh Zu* oder Absohalten von Düsen geregeltttrd.4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzelohnet, dal dl· Kälteleistung der Expansionsturbine zur Deckung dee Kältebedarfs weiterer Anlagen, z.B. einer Torxerlegungsanlage, herangezogen wird.5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dal ein Teil des Waschetickstoffs vor der Stickstoffwasche abgezweigt und - in eine« Kreislauf geführt wird, der Über einen oder Mehrere Wärmeaustauscher alt dea Wasserstoffkreislauf in Wäraetauseh steht.6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, dal die Anwärsning dea Kohwasserstoffs Tor Eintritt in die Xxpansionsturblne durch Druckstickstoff und durch vost Waachstlokstoff abgezweigten gaafOraigen Krelslaufaticketoff erfolgt·7. Terfahren nach den Ansprüchen 1 bis b, dadurch gekennzeichnet, da· die Amräraung des zusätzlichen Kreialaufwasserstoffee durch den zusätzlichen Kreislaufstlokstoff erfolgt.9 0 9 811/10 7 38. Vorrichtung cur Durchführung des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen, bei der drei weahselbar geschaltete Regeneratoren über Rohrleitungen und Wlnse&us tauscher alt einer Stickstoffwasehslule verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, d*J dl· Druckseite des Rohwasseretoff-Verdichters alt der Druckseite ues Bohgasverdichter& verbunden let.9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennseiehnet« dat ein Kompressor für Vasohstlekstoff über Leitungen und Vfirmeaustauscher alt einen vor der stickstoffwaschelule angeordneten Abscheider für flüssigen Waschetiokstoff verbunden 1st, dessen Oaatführung Über andere Leitungen und andere Querschnitte eines Teiles derselben WSraeaustauscher alt der Satigseite des loepreesors in Verbindung steht.1o. Vorrichtung nach Anspruch 9« dadurch gekennzeichnet, dafi oefarere Querschnitte dieser VftrsNiauatauscher alt den Regeneratoren verbunden sind.90981 1/1073
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